首页 > 论文范文 > 社会科学论文 > 科技论文 > 自动化论文 > 数字化等离子焊接系统在连续油管钢带对接中的设计与应用

数字化等离子焊接系统在连续油管钢带对接中的设计与应用

2024-09-27 88 上传者：管理员

摘要：为解决传统等离子焊接平台气囊夹紧力不足、焊枪行走机构精度差、焊接控制系统输出不稳定、无法实时观察问题，以及造成的对接焊缝错边、咬边、焊偏等质量问题，设计了一种数字化等离子焊接系统。该系统通过改进液压夹紧装置、设计焊枪控制系统、熔池监控装置、焊机自动定位装置及气体保护装置，实现了数字化焊接，提升了焊接质量，提高了生产效率。实际应用表明，采用设计的数字化等离子焊接系统，生产效率提升15%以上，斜焊缝一次通过率提高约8%。

关键词：
熔池监控
等离子焊接
组对平台
自动焊接定位
钢带对接
加入收藏

随着我国不断加大对低渗透、超低渗透油田及页岩油的开发，斜井、水平井等日渐增多[1]，作业用连续油管长度也在不断增加，生产油管用钢带长度及钢带对接头的数量也在对应的增加,这就对钢带对接头的焊接质量和生产效率提出更高的要求。而在工业生产和油田现场作业中，连续油管偶尔出现钢带对接对头处的焊缝缺陷，会造成整盘油管失效事故。

传统的连续油管钢带焊接平台数字化、自动化程度低[2]，使用过程中出现焊接平台夹紧力不足、焊枪行走机构精度差、焊接控制系统输出功率不稳定、无法实时观察熔池变化等问题，造成错边、咬边、焊偏、气孔、焊接变形等缺欠和缺陷[3]，尤其是CT110以上高钢级钢带对焊生产中效率低下，焊缝一次通过率低等问题。

为解决上述问题，设计了一款数字化等离子焊接平台，配备高效的等离子焊枪，具有电弧能量集中、穿透能力强、焊接熔深大、热影响区窄等优点[4-5]；同时将伺服控制、熔池监控、焊缝自动焊接定位装置等应用于该平台，使用效果良好。

1、传统等离子焊接平台的特点

传统等离子焊接平台结构简单，数字化、自动化程度低[6]，由组对台、电驱小车、焊枪、模拟控制系统组成，使用过程中主要存在四方面问题：①对接钢带无法精确就位在焊接平台正中心，焊接过程中需要人工实时修正焊枪，易造成焊偏等缺陷；②人工采用焊帽观察熔池及焊丝等情况[7]，使用过程中调整修正存在一定的滞后性；③夹具压紧力小，不能彻底消除对头处错边、咬边等问题；④钢带对接焊缝在制管机组成型后，焊缝缺陷频发。焊接接头缺陷如下图1所示。

图1 焊接接头缺陷照片

2、数字化等离子焊接系统的设计和组成

2.1 设计思路

为解决传统等离子焊接平台在连续管钢带对接中出现的缺陷，提升产品质量，减少焊接操作对质量的影响，亟需设计一款可靠稳定的数字化等离子焊接系统。考虑到该系统主要用于低碳微合金和高合金钢带的组对焊接，结合等离子电源的特性，选用直流等离子焊接电源[8]。该系统由焊缝组对平台、等离子焊枪及控制系统、熔池监控装置、焊缝自动焊接定位装置、气体控制装置等组成。具体设计思路如下。

(1）设计新型的焊接平台液压夹紧装置，将夹紧力由50 N提高到500 N确保先行钢带的尾部及后行钢带的头部夹紧，解决焊接错边问题。

(2）设计焊枪控制系统，按照PLC自动控制程序，控制焊枪的工作流程。

(3）设计熔池监控装置，解决实时观察熔池的问题。

(4）设计焊机自动定位装置，据两点直线原理设计的轨迹拟合自动焊接系统，通过焊缝上的两点定位进行自动焊接，确保等离子弧始终位于焊缝的正上方，解决焊偏问题。

(5）设计气体保护装置，提供焊后保护气和背部保护气，解决低碳微合金、高合金钢带的焊缝焊接氧化问题。

2.2 焊缝组对平台的设计

焊缝组对平台由一体式液压夹具、横梁平台、进出接料装置、对中装置、气路系统、送丝机构等组成。机座具有足够刚性以承受夹紧力，机床配有水冷衬条，背部留有保护气进气接口，可以满足宽度1 000 mm以下、厚度8 mm以下钢板的拼缝组对焊接，其中夹紧装置采用同步液压缸夹紧，最大夹紧力可达到500 N，可以根据材质、厚度的不同，选用不同的夹紧力，有效消除焊接过程中的焊接变形问题，图2所示为焊缝组对平台示意图。

图2 焊缝组对平台示意图

2.3 等离子焊枪及控制系统的设计

2.3.1 焊枪的设计

焊枪是等离子焊接中最重要的组成元件，通过焊枪产生高能量密度等离子电弧，实现稳定可靠的焊接[9]。焊枪针对8 mm以下薄板焊接设计，通过对头处预留缝隙，实现小孔型等离子弧焊，在不开坡口的情况下，一次可实现单面焊双面成型，大大减少了焊前准备，保证了焊接质量，提高了焊接效率[10]。

该焊枪输出能量密度最高为1 200 kW/cm2；电弧输出稳定高效，热影响区小，焊接变形小，焊接速度快；扩散角和挺直度好[10]；离子弧具有良好的可控性和调节性。钨极与喷嘴同心度好，内缩量可以自由调节，配备多规格的钨极和喷嘴，满足不同材质、不同钢级、不同厚度板材的对头焊接，能够获得良好的等离子焊接质量[11]。

焊枪额定输出电流450 A，钨极最大规格为Φ4.8 mm，焊接过程电弧输出持续稳定，根据钢带厚度的不同，在钢带对接处预留0.1～0.15 mm的缝隙，等离子电弧可产生稳定的小孔效应，成功解决了8 mm以下厚度、CT110以上钢级钢板无需开坡口焊接，实现高效稳定的单面焊双面成型。等离子焊枪结构如图3所示。

图3 等离子焊枪结构图

2.3.2 PAW焊接控制系统的设计

控制系统是数字化焊接系统的重要组成单元，支持PAW、TIG、MIG等多种焊接工艺。系统选用PLC为主控单元、HMI为人机交互界面[12]，具有通讯、程序管理、参数设定、监控界面、手工界面和报警界面等8个界面功能。

图4为焊接控制系统界面，系统可显示当前正在使用的程序信息，还包括程序新建、查询、调用、删除、存储等功能。可将所有钢级、不同厚度钢板的焊接参数输入系统，根据生产需要调用、调整，有效提高生产效率，减少因工作失误造成的参数错误；具备开机自检功能，彻底解决简易焊接平台烧坏喷嘴、损坏焊枪的问题；显示和编辑方便，满足灵活调整焊接参数；外配备自检和报警功能，清楚显示报警部位和报警原因，降低了故障的发生[13]。

图4 焊接控制系统界面图

2.4 熔池监控装置的设计

设计用于PAW焊接的熔池监控装置，可实时监测焊接前、焊接过程中熔池情况，代替用手持焊接面罩进行熔池观察，减轻了操作人员劳动强度。

装置选用彩色1英寸COMS相机，COMS相机具有视野广阔，放大倍数大等优点[14]，可观察1 m范围内的物体，动态范围高达160 dB以上，可以清晰观察熔池、焊丝熔化变化，画面不受电弧光的影响。熔池监控工作原理如图5所示。

图5 熔池监控装置原理图

2.5 自动焊接定位装置的设计

为减少焊接人员对焊接定位的影响，在焊接控制系统的基础上嵌入自动焊接定位装置，装置根据线性代数两点确定一条直线的原理设计。焊接准备阶段，通过激光点和配套系统锁定目标焊缝上的两点，启动焊接系统后，焊枪按照自动定位装置模拟的轨迹完成自动焊接，彻底消除了焊枪行走线路和目标焊缝两线不重合造成的焊偏、咬边等问题。其工作原理如图6所示。

图7为实操钢带1和钢带2对缝自动定位图，通过自动焊接定位装置任意锁定目标点A和点B（对应图6焊接定位系统原理图上的A点和B点），通过直线AB向两侧延伸到引熄弧板1和引熄弧板2上，锁定最终焊接轨迹（焊枪行走路线），实现高效精准焊接。

图6 焊接定位系统原理图

图7 焊接定位实物图

2.6 气体控制装置设计

在钢带组对焊接过程中，气体控制装置分别供给焊枪等离子气、熔池保护气、焊后保护气、背部保护气四路，每路气体由氩气汇流排提供，通过数字式气体流量计控制气体流量输出，具体设计原理如图8所示。

该气体控制装置可根据焊接材质不同、板材厚度的不同，分别单独调整四路气体的压力和流量。该装置操作调整简单，控制精度高（0.01 L/min），可根据不同钢级、厚度、材质选用不同流量的等离子气和保护气体，还可以分焊接阶段，控制预融流量、焊接流量、焊后衰减流量及各阶段流量的开启与结束时间，完美代替了传统浮子流量计调节精度差，观察不直观等问题。另外可根据生产需要设置气体流量报警上限和报警下限，有效降低劳动强度。

图8 气体控制装置原理图

3、数字化等离子焊接系统的应用

2023年，新系统已成功应用于某管厂，目前已完成从CT70～CT150钢级，约1.5万t低碳微合金钢带的在线对接；系统投用以来，未出现由于钢带对焊头失效造成的连续油管质量问题；同时焊接缺陷少，可焊材料多，焊接质量高等优点[15]。

使用传统焊接平台，每班月对接钢带约410 t，平均对接钢带接头99个，但对超高强度和硬度的CT110钢级及以上钢级的对头焊缝一次通过率约87%，低于平均标准；采用数字化等离子焊接系统后，每班月对接钢带约475 t，平均对接钢带接头114个，CT110及以上钢级对接接头焊缝一次通过率提高至95%;CT110及以上钢级钢带对接接头区域的镰刀弯由每1 m不超过3 mm减少为每1 m不超过1.5 mm;CT110钢级5.2 mm厚钢带对头的平均错边量提升一半以上。如图9所示，1#试样在传统平台焊接，焊偏量（（A-B）/2)0.24 mm，满足标准要求；2#试样在数字化平台焊接，焊偏量0.11 mm，远高于内控标准要求。

图9 钢带对接接头金相照片

通过实践应用，该系统不仅成功解决了焊接平台压紧力小、焊接过程中人工修正焊枪轨迹造成的错边咬边、焊缝扭曲变形问题，还同时解决了在制管过程中出现的焊缝开裂等质量问题。

目前，该设备已成功应用于高合金对焊材料，如200不锈钢、2205双相不锈钢、304和316L系列奥氏体不锈钢带的对焊；同时解决了钛合金（TA18）焊接中的焊缝表面氧化严重的问题，图10为不同试验平台焊接的钛合金（TA18）试样，图10(a）为传统焊接平台焊接1#试样，焊缝表面氧化严重；图10(b）为内数字化等离子焊接平台焊接2#试样，由于可以分阶段精确控制离子气、焊接保护气体的流量，因此焊缝表面较光滑，氧化层较少。对焊接后的试样选用5T板厚的弯心直径进行弯曲试验，结果如图11所示，可见，1#试样弯曲后焊缝与热影响区出现明显裂纹；2#试样未发现明显裂纹。从而说明数字化等离子焊接平台优于传统焊接平台。

图1 0 钛合金（TA18）对接焊缝试样

图1 1 钛合金（TA18）弯曲试样

4、结论

(1）数字化等离子焊接系统通过提升焊接平台夹紧力、改进气体控制装置，增加自动焊接定位装置，解决了传统焊接平台夹紧力不足、数字化水平低、参数设置调整复杂、等离子气与保护气无法精确调节、无法实时观察焊接熔池、焊枪行走轨迹与焊缝存在偏差等问题。

(2）数字化等离子焊接系统投用后，每班月生产能力从410 t提升至475 t以上，生产效率提升15%;CT110以上钢级对接焊缝一次通过率从87%提高至95%，提高8%左右，每年产生经济效益约一百万元。

(3）数字化等离子焊接系统的设计及应用，不仅成功替代了传统的焊接平台，而且提高了生产效率及焊缝一次通过率，有效解决了连续管钢带对焊过程出现的缺陷，为油田的勘探开发提供优质的连续管产品奠定了基础。

参考文献:

[1]刘耀民,孙文盛,鲜林云.敷缆连续管在油田电潜泵采油技术中的应用[J].焊管,2022,45(3):61-64.

[2]窦晓尧.等离子焊接设备及控制研究[J].河南科技,2015,578(24):39-41.

[3]姜焕中.焊接方法与设备[M].北京:北京机械工业出版社,1982.

[4]曹润平,王克勇.不锈钢等离子弧焊焊接技术及其应用[J].包头职业技术学院学报,2019,20(1):4-8.

[5]孙严.等离子焊接系统在不锈钢拼板焊接中的应用[J].中国化工装备,2016,18(1):20-22,29.